Хром: способы применения¶

Хром — химический элемент с атомным номером 24, обозначается символом Cr, относится к переходным металлам VI группы периодической системы. Простое вещество — твёрдый серебристо-белый металл с высокой твёрдостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Благодаря сочетанию этих свойств хром и его соединения находят применение в металлургии, гальванотехнике, химической промышленности, производстве огнеупоров и пигментов. В биологии хром рассматривается как микроэлемент, участвующий в обмене углеводов.

¶Металлургия

Основная часть добываемого хрома (по разным оценкам, свыше 80 %) потребляется металлургией.

¶Легирование стали и сплавов

Хром — ключевой легирующий элемент нержавеющих и жаростойких сталей. Введение 10–12 % хрома придаёт стали способность сопротивляться коррозии: на поверхности образуется плотная оксидная плёнка, защищающая металл. Классические хромистые стали содержат 12–18 % Cr, хромоникелевые (аустенитные) — 18 % Cr и 8–10 % Ni. Хром повышает твёрдость, прочность и жаропрочность, поэтому его добавляют в конструкционные, инструментальные, шарикоподшипниковые и быстрорежущие стали.

¶Ферросплавы

В металлургии хром применяют преимущественно в виде феррохрома — сплава железа с хромом (обычно 60–70 % Cr), который выплавляют в рудовосстановительных печах. Феррохром вводят в расплавленную сталь для легирования. Также выпускают феррохром азотированный, металлический хром и хромсодержащие лигатуры.

¶Сплавы на основе хрома и никеля

Нихром (сплав никеля и хрома) применяется как нагревательный элемент в электропечах, бытовых приборах и реостатах благодаря высокому электрическому сопротивлению и стойкости при нагреве. Хром входит в состав жаропрочных никелевых суперсплавов для авиационных турбин, а также в кобальтовые и титановые сплавы.

¶Гальванотехника и защитные покрытия

Хромирование — электрохимическое нанесение тонкого слоя хрома на поверхность изделий. Различают декоративное и твёрдое хромирование.

• Декоративное хромирование даёт блестящее зеркальное покрытие толщиной в несколько микрометров; применяется для отделки деталей автомобилей, сантехники, бытовой техники, инструментов. Часто наносится поверх подслоя меди и никеля.
• Твёрдое (функциональное) хромирование создаёт износостойкий слой толщиной от десятков до сотен микрометров. Используется для поршневых колец, валов, штоков гидроцилиндров, пресс-форм, режущего и мерительного инструмента. Покрытие снижает трение и повышает ресурс деталей.
• Матирование и «чёрный хром» — декоративные разновидности покрытий с заданной текстурой и цветом.

Хромовые покрытия также применяют для защиты от коррозии, хотя в ряде случаев их вытесняют более дешёвые или менее токсичные технологии.

¶Химическая промышленность и катализ

Соединения хрома используются как катализаторы и реагенты.

• Оксид хрома(III) Cr₂O₃ служит катализатором дегидрирования, а также основой для получения металлического хрома алюминотермией.
• Смешанные оксидные катализаторы на основе хрома применяются в производстве полиэтилена, в процессах дегидрирования углеводородов.
• Бихроматы и хроматы (соли шестивалентного хрома) используются как окислители в органическом синтезе, для дубления кож, в текстильной промышленности и при обработке поверхностей металлов (хроматирование — антикоррозионная пассивация цинковых и алюминиевых покрытий).

¶Огнеупоры и литейное производство

Хромсодержащие огнеупоры отличаются высокой температурой плавления и устойчивостью к химическому воздействию расплавов. Хромит (хромовая руда) и хромомагнезитовые огнеупоры применяются для футеровки металлургических печей, ковшей и агрегатов цветной металлургии. Формовочные и стержневые смеси с хромсодержащими добавками используются в литейном производстве.

¶Пигменты и красители

Соединения хрома дают широкую гамму устойчивых пигментов:

Пигменты на основе хрома отличаются светостойкостью и термостойкостью, поэтому востребованы в лакокрасочной и керамической промышленности.

¶Другие области применения

• Дубление кож: соли хрома(III) — основной дубитель в кожевенном производстве, придающий коже прочность и устойчивость к влаге.
• Обработка древесины: хромсодержащие пропитки защищают древесину от гниения и насекомых (например, в составе медь-хром-арсенатных составов, применение которых в ряде стран ограничено из-за токсичности).
• Электроника и оптика: тонкие плёнки хрома используются как резистивные и барьерные слои в микроэлектронике, а также в качестве отражающих и маскирующих покрытий в оптике.
• Пиротехника: соединения хрома применяют для получения зелёного цвета пламени.
• Биология и медицина: хром(III) рассматривается как микроэлемент, влияющий на действие инсулина; соединения хрома входят в состав некоторых биологически активных добавок. При этом шестивалентный хром токсичен и канцерогенен, что ограничивает его промышленное использование и требует строгого контроля.

¶Техника безопасности

Наибольшую опасность представляют соединения шестивалентного хрома (хроматы, бихроматы, хромовый ангидрид): они токсичны, вызывают поражения кожи и дыхательных путей, относятся к канцерогенам. На производствах применяются вентиляция, средства индивидуальной защиты и утилизация хромсодержащих отходов. Соединения трёхвалентного хрома считаются существенно менее опасными.